Физики создали активную среду для непрерывного материальноволнового лазера

Chun-Chia Chen et al. / Nature, 2022

Нидерландские физики построили установку, в которой происходит непрерывная загрузка и поддержка конденсата Бозе — Эйнштейна в течение неограниченно долгого времени. Она служит материальноволновым аналогом активной среды лазера с непрозрачными зеркалами. Это значит, что в будущем на ее основе можно будет создать непрерывный атомный лазер, испускающий луч когерентной материи. Исследование опубликовано в Nature.

Лазеры можно отнести к одному из самых важных изобретений, сделанных в физике. Воздействие лазерного света на вещество отличается согласованностью всех фотонов (физики называют ее когерентностью), что позволяет получить качественно новый результат. При этом различают импульсные и непрерывные лазеры. Первые полезны тогда, когда всю энергию лазера нужно сконцентрировать в как можно более короткую вспышку, чтобы получить наибольшую интенсивность. Вторые же используются в ситуациях, где требуется стабильность и узкие спектральные линии, например, в сенсорах или атомных часах.

Такой успех побудил ученых воспроизвести те же физические принципы и на других типах волн. Хоть и не сразу, но им удалось создать звуковые лазеры — сазеры. В некотором роде материальноволновым аналогом лазерного луча можно также считать конденсат Бозе — Эйнштейна. Как и в случае с фотонами, частицы в конденсате занимают одно и то же состояние и обладают когерентностью. Принципиальная разница между ними в том, что частицы в конденсате (атомы или квазичастицы), как правило, обладают массой, из-за чего конденсат обычно изучают в состоянии покоя, в отличие от лазерного луча, летящего со световой скоростью.

Традиционно конденсат создают в результате единовременного охлаждения и пленения атомного газа в ловушках, после чего тот постепенно рассеивается. При желании конденсат можно хорошенько разогнать, тогда он будет по-настоящему похож на летящий лазерный импульсу. Однако для нужд атомной интерферометрии было бы полезно создать непрерывный материальноволновой когерентный луч из бозе-конденсата, но пока никто не смог этого добиться, хотя физики активно над этим работают. Для достижения цели им нужно решить две задачи: своевременно пополнять луч холодными атомами, а также поддерживать его когерентность.

Первыми с этим справились нидерландские физики под руководством Флориана Шрека (Florian Schreck) из Амстердамского университета. Они продемонстрировали технику, позволяющую непрерывно поддерживать и подпитывать конденсат Бозе-Эйнштейна. Созданную авторами систему можно считать материальноволновым аналогом активной среды лазера с непрозрачными зеркалами. В будущем на ее основе можно будет создать непрерывный атомный лазер.

Эксперимент физиков начинался с того, что пучок атомов стронция-84 покидал источник и остывал по дороге в системе многоступенчатого лазерного охлаждения до микрокельвиновых температур. Атомы на скорости около 10 сантиметров в секунду останавливались зеемановским замедлителем и попадали в длинную оптическую ловушку-резервуар с эллиптическим профилем (14,5 на 110 микрометров) и небольшим углом (6 градусов) по отношению к пучку.

Не переставая лазерно охлаждать атомы, физики фокусировали в середину резервуара еще один луч с размером перетяжки, равным 27 микрометрам, который создавал дополнительную потенциальную ямку в широкой яме резервуара. Благодаря своей большой глубине, она служила областью, в которой образовывался конденсат. Однако это невозможно было бы без третьего (если не считать охлаждающих) луча, который ученые назвали лучом прозрачности. Дело в том, что охлаждающий свет, хоть и уменьшает температуру газа, деструктивно влияет на конденсат. Луч прозрачности сильно смещал энергетические уровни атомов, попавших в ямку, мешая им взаимодействовать с лазерным охлаждением. Они, тем не менее, охлаждались за счет упругого взаимодействия с атомами в резервуаре. Ямка притянула на себя почти половину атомов в резервуаре: 69 тысяч против 73 тысяч, соответственно.

Чтобы доказать, что атомы в ямке сконденсировались, физики выжидали некоторое время после начала процесса, затем выключали лазеры и через 18 миллисекунд фотографировали пространство резервуара. Начиная с 2,5 секунды, они стали видеть в области ямки уплотнение, которое было традиционным маркером конденсата. Количество сконденсированных атомов росло со временем и после 3,2 секунды вышло на плато, равное примерно 7 тысячам атомов. Ученые показали, что это число поддерживалось постоянным в течение минуты благодаря балансу между вновь поступающими в резервуар атомами стронция и потерями, вызванными трехчастичной рекомбинацией. По мнению авторов исследования, такой конденсат можно поддерживать бесконечно долго, а добавление к резервуару системы непрерывного оттока превратит его в непрерывный материальноволновой лазер.

Оптика волн материи развивается семимильными шагами. Недавно мы рассказывали, как физики применили материальноволновую лупу к квантовому газу.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.